DE102015006697B4 - Optical method and arrangement for measuring residual stress, in particular on coated objects - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts (5), vorzugsweise eines beschichteten Objekts (5), umfassendBeaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit Laserlicht und Erzeugen eines Musters (7.2; 7.3; 16-21; 31) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt (5);Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts (5) mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens;Ermitteln der im Objekt (5) vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen,wobei das Erzeugen des Musters (7.2; 7.3; 16-21; 31) mittels einer optischen Abtastvorrichtung erfolgt, welcheeine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts; und/odereine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst,dadurch gekennzeichnet, dassdas Muster (7.2; 7.3; 16-21; 31) variabel ist; unddas Verfahren ferner ein Anpassen der Form des Musters (7.2; 7.3; 16-21; 31) und/oder der Anordnung des Musters (7.2; 7.3; 16-21; 31) auf der Oberfläche des Objekts (5) an die Topographie der Oberfläche des Objekts (5) und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten in dem Objekt (5) umfasst, wobei das Anpassen der Form des Musters (7.2; 7.3; 16-21; 31) ein Anpassen der Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen umfasst.Method for determining residual stresses of an object (5), preferably a coated object (5), comprising applying a laser light to a surface (8) of the object (5) and forming a pattern (7.2, 7.3, 16-21, 31) of holes and Determining the surface deformations after applying the object (5) to the laser light by means of an optical deformation measuring method; determining the residual stresses present in the object (5) from the measured surface deformations, wherein the generating of the Pattern (7.2; 7.3; 16-21; 31) by means of an optical scanning device comprising an optical deflection and / or modulation arrangement for controllably deflecting and / or modulating the laser light; and / ora focusing arrangement for controllably focusing the laser light, characterized in that the pattern (7.2; 7.3; 16-21; 31) is variable; andthe method further comprises adjusting the shape of the pattern (7.2; 7.3; 16-21; 31) and / or arranging the pattern (7.2; 7.3; 16-21; 31) on the surface of the object (5) to the topography of the pattern Surface of the object (5) and / or to the expected residual stresses and / or their gradients in the object (5), wherein adapting the shape of the pattern (7.2; 7.3; 16-21; 31) adjusting the distribution of the holes and / or locally heated locations.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in Objekten, insbesondere in beschichteten Objekten, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Objekten.The present invention relates to a method and a device for determining residual stresses in objects, in particular in coated objects, and to a method and a device for coating objects.
Beschichtungen werden häufig verwendet, um funktionale (z.B. beim Korrosions- oder Verschleißschutz oder in der Sensorik) oder dekorative Eigenschaften einer Objektoberfläche zu gewährleisten. Schichten besitzen jedoch häufig herstellungsbedingte Eigenspannungen, die unerwünschte Effekte erzeugen (z. B. Schichtabplatzung, Rissbildung). Es ist deshalb von Interesse, die Eigenspannungen und ihre Auswirkungen im Schichtenverbund zu kennen, um die Schichtherstellung in geeigneter Weise durchzuführen.Coatings are often used to ensure functional (e.g., corrosion or wear protection or sensorics) or decorative properties of an object surface. Layers, however, often have production-related residual stresses which produce undesired effects (eg layer chipping, cracking). It is therefore of interest to know the residual stresses and their effects in the layer composite in order to carry out the coating production in a suitable manner.
Zur Bestimmung von Eigenspannungen in Schichten und Schichtverbundwerkstoffen ist eine Vielzahl von Techniken bekannt. Viele Methoden, wie z. B. der Einsatz von Beta-Strahlern oder die Röntgenfluoreszenz-Technik, sind jedoch reine Labormessverfahren, die für den industriellen Einsatz weniger geeignet sind. Techniken wie z.B. Wirbelstrommessverfahren, Barkhausen-Rauschen oder induktive Messverfahren können nur für Messungen auf leitenden bzw. magnetischen Proben eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [1]). Sehr hohe Genauigkeiten können mit der Röntgen-Diffraktometrie erzielt werden. Diese Methode basiert auf der Beugung von Röntgenstrahlung (Bestimmung des Bragg-Winkels), welche durch Gitterverzerrungen aufgrund von Eigenspannungen beeinflusst wird. Mit der Röntgen-Diffraktometrie können Eigenspannungen und die verschiedenen Anteile der Eigenspannungen I., II. und III. Art (makro-, meso- und mikroskopisch) am Gesamt-Eigenspannungszustand mit sehr hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [2]). Diese Untersuchungen sind jedoch sehr zeitaufwendig und daher nicht für Messungen während eines Schichtentstehungsprozesses geeignet.For the determination of residual stresses in layers and layered composites a variety of techniques are known. Many methods, such as As the use of beta emitters or the X-ray fluorescence technology, but are pure laboratory measurement methods that are less suitable for industrial use. Techniques such as Eddy current measuring methods, Barkhausen noise or inductive measuring methods can only be used for measurements on conductive or magnetic samples (see Non-Patent Document [1]). Very high accuracies can be achieved with X-ray diffractometry. This method is based on the diffraction of X-rays (determination of the Bragg angle), which is influenced by lattice distortions due to residual stresses. With X-ray diffractometry, residual stresses and the different parts of the residual stresses I., II. And III. Art (macro-, meso- and microscopic) in the total residual stress state with very high spatial resolution can be determined (see non-patent document [2]). However, these studies are very time consuming and therefore not suitable for measurements during a film formation process.
Vergleichsweise kostengünstig können Bohrloch- oder Ringkernverfahren eingesetzt werden. Borehole or ring core methods can be used comparatively inexpensively.
Das Bohrlochverfahren (in klassischer Form oder in Form des Mikrozirkularfräsverfahrens) ist eine „minimal-destruktive“ Methode, die in der Praxis oft verwendet wird und den Stand der Technik in der praktischen Anwendung darstellt (vgl. Nicht-Patentschriften [3] bis [5]). Durch die Bohrung eines Loches werden Eigenspannungen freigesetzt, also relaxiert. Dabei ergibt sich eine resultierende Verformung (z.B. Dehnung) der Oberfläche. Die Messung der Oberflächenverformungen (z.B. Dehnungen) erlaubt, in Kombination mit geeigneten Kalibrierfunktionen (welche für Schichtverbunde simuliert werden müssen), die quantitative Bestimmung der Eigenspannungen. Durch inkrementelles Bohren oder Fräsen in kleinen Schritten können Eigenspannungstiefenprofile ermittelt werden. Die Oberflächendehnungen werden traditionell mit Dehnmessstreifen (DMS) gemessen. Deren Einsatz ist jedoch nur auf ebenen und relativ glatten Oberflächen möglich. Neben dem praktischen Nachteil des notwendigen direkten Aufbringens der DMS auf das Testobjekt ist die Beschränkung auf eine Messung von 2D-Deformationen (lateral zur Oberfläche) als weiterer Nachteil zu werten. Weil hierbei der Messabstand von der Bohrung stets vergleichsweise groß ist, bestehen zudem Einschränkungen sowohl hinsichtlich der örtlichen Auflösung als auch hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit. Weiterhin sind diese Messungen sehr fehleranfällig gegenüber Asymmetrien der Bohrung bzw. der Positionierung der DMS-Messgitterrosette.The wellbore method (in the classical or microcircular milling method) is a "minimally destructive" method which is often used in practice and represents the state of the art in practical use (see non-patent documents [3] to [5 ]). By drilling a hole residual stresses are released, so relaxed. This results in a resultant deformation (e.g., elongation) of the surface. The measurement of surface deformations (e.g., strains), in combination with appropriate calibration functions (which must be simulated for laminations), allows the quantitative determination of residual stresses. By incremental drilling or milling in small steps residual stress depth profiles can be determined. The surface strains are traditionally measured with strain gauges (DMS). However, their use is only possible on flat and relatively smooth surfaces. In addition to the practical disadvantage of the necessary direct application of the DMS to the test object, the restriction to a measurement of 2D deformations (lateral to the surface) is to be regarded as a further disadvantage. Since the measuring distance from the bore is always comparatively large, there are also restrictions both with regard to the local resolution and with regard to the practical applicability. Furthermore, these measurements are very error-prone to asymmetry of the bore or the positioning of the strain gauge rosette.
Anstelle einer Bohrung können die Eigenspannungen auch durch lokale Erwärmungen der Objektoberfläche (z.B. mittels eines Lasers) freigesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [6],
Optische Techniken erlauben eine hochaufgelöste flächenhafte Erfassung von dreidimensionalen Oberflächenverformungen und wurden daher mit verschiedenen Methodiken für die Bestimmung von Eigenspannungen eingesetzt. Normalerweise basieren diese Verfahren auf klassischer holografischer Interferometrie, Speckle-Interferometrie (Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI) oder digitaler Holografie. Durch Auswertung der Hologramme/Specklegramme ist es möglich, die Verformung der Oberfläche nach der Bohrung zu bestimmen. Im Zusammenhang mit z.B. Finite-Elemente-Simulationen können dann die Eigenspannungen berechnet werden (vgl. Nicht-Patentschrift [5]). Für die Messung von Verschiebungen kann ebenfalls die Bildkorrelation eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [7]). Optical techniques allow a high-resolution areal registration of three-dimensional surface deformations and were therefore used with different methods for the determination of residual stresses. Typically, these methods are based on classical holographic interferometry, speckle interferometry (ESPI) or digital holography. By evaluating the holograms / specklegrams, it is possible to determine the deformation of the surface after drilling. In connection with e.g. Finite element simulations can then be used to calculate the residual stresses (see non-patent specification [5]). The image correlation can also be used for the measurement of displacements (see non-patent specification [7]).
In der Patentschrift
In der Patentschrift
In der Patentschrift
In der Patentschrift
In der Nicht-Patentschrift [8] ist eine Methode zum Bestimmen von Eigenspannungen in der Mikrometer-Skala beschrieben, welche auf der Messung von Verformungen basiert, die durch inkrementelles Bohren von Nano-Löchern (Durchmesser 50 nm) unter Verwendung von fokussierter lonenstrahlung („Focused Ion Beam“, FIB) erzeugt werden. Die Verformungen werden mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop („Scanning Electron Microscope“, SEM) unter Anwendung von Bildkorrelations-Verfahren gemessen.Non-patent specification [8] describes a method for determining residual stresses in the micrometer scale, which is based on the measurement of deformations caused by incremental drilling of nano-holes (diameter 50 nm) using focused ion radiation (" Focused Ion Beam ", FIB). The deformations are measured with a Scanning Electron Microscope (SEM) using image correlation techniques.
Die Patentanmeldung
Die Nicht-Patentschrift [10] beschreibt ein optisches Messsystem zur Messung von Eigenspannungen nach der Bohrlochmethode, wobei die Bohrlöcher mit einem Laser erzeugt werden. Das optische Messsystem kann ein ESPI- oder holographisches Messsystem sein.The non-patent specification [10] describes an optical measuring system for measuring residual stresses according to the borehole method, wherein the boreholes are produced with a laser. The optical measuring system can be an ESPI or holographic measuring system.
Die Patentschrift 2008/0123079 A1 beschreibt ein optisches Messsystem (z.B. ein ESPI oder holographisches Messsystem) zur Messung von Eigenspannungen mit der Methode der laserinduzierten lokalen Erwärmung.Patent specification 2008/0123079 A1 describes an optical measuring system (for example an ESPI or holographic measuring system) for measuring residual stresses using the method of laser-induced local heating.
Eigenspannungsbehaftete Schichten werden zum Teil durch thermokinetische Beschichtung hergestellt („thermisches Spritzen“). Thermokinetisch abgeschiedene Schichten weisen Inhomogenitäten, Porositäten und mehrphasige Strukturen auf, wobei die ursprünglichen schmelzflüssigen Spritzpartikel teilweise ausgeprägt texturierte Schichten ausbilden. Sie sind anisotrop und weichen daher in ihren Eigenschaften deutlich von den entsprechenden Massivwerkstoffen ab: Ferner werden sie hinsichtlich ihrer Anwendungseigenschaften (Belastbarkeit, Zuverlässigkeit) stark von ihrem Eigenspannungszustand nach der Schichtapplikation und Fertigbearbeitung beeinflusst, welcher wiederum von den Materialeigenschaften der beteiligten Schichtverbundpartner sowie den Prozessparametern abhängig ist.Particle stress layers are produced in part by thermokinetic coating ("thermal spraying"). Thermokinetically deposited layers exhibit inhomogeneities, porosities and multiphase structures, with the original molten spray particles forming partially pronounced textured layers. They are anisotropic and therefore differ significantly in their properties from the corresponding solid materials: Furthermore, they are greatly influenced by their residual stress state after the layer application and finishing in terms of their application properties (resilience, reliability), which in turn depends on the material properties of the participating layer composite partners and the process parameters is.
Nicht-Patentschriften:Non-patent specifications:
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[10]
V. Martinez-Garcia et al, „Residual Stress Measurement with Laser-Optical and Mechanical Methods“, Advanced Materials Research, Vol. 996, pp. 256-261, August 2014 Martinez-Garcia et al, "Residual Stress Measurement with Laser-Optical and Mechanical Methods", Advanced Materials Research, Vol. 996, pp. 256-261, August 2014
Bisherige Arbeiten zur Eigenspannungskontrolle während thermischer Spritzprozesse konzentrieren sich hauptsächlich auf die Messung der resultierenden Eigenspannungen, z.B. auf den zeit- und schichtdickenabhängigen Verlauf der Eigenspannungen im Prozess unter Verwendung geometrisch vereinfachter Referenzproben (vgl. Nicht-Patentschrift [9]) oder auf die Ermittlung des Eigenspannungszustands nach dem Beschichtungsprozess in realen Bauteiloberflächen durch Messung von Eigenspannungstiefenprofilen, z.B. anhand der Bohrlochmethode oder der Röntgen-Diffraktion. Weiterhin existiert eine Vielzahl theoretischer und numerischer Untersuchungen zum Einfluss der Werkstoffeigenschaften sowie der Prozessparameter und der Substratvorbehandlung.Previous work on residual stress control during thermal spraying processes focuses mainly on the measurement of the resulting residual stress, e.g. on the time- and layer thickness-dependent course of the internal stresses in the process using geometrically simplified reference samples (see non-patent specification [9]) or on the determination of the residual stress state after the coating process in real component surfaces by measuring residual stress depth profiles, e.g. using the borehole method or the X-ray diffraction. Furthermore, a large number of theoretical and numerical investigations exist on the influence of material properties as well as process parameters and substrate pretreatment.
Die bisher entwickelten Systeme zum Ermitteln von Eigenspannungen erlauben keine zeit- und ortsaufgelöste Untersuchung während eines Herstellungsprozesses, z.B. eines Beschichtungsprozesses. Die auf Bohrung basierten Messverfahren sind zwar minimal invasiv, werden jedoch mit einem Hochgeschwindigkeitsfräser vorgenommen. Das ist zeitaufwendig und verlangt mechanischen Kontakt mit der Oberfläche des Objekts. Weiterhin müssen die erzeugten Bohrlöcher in der Regel später wieder aufwendig geschlossen werden. Ferner wird eine Kombination von experimentellen 3D-Verformungsdaten mit modellgestützten Simulationsrechnungen nicht vorgenommen, sondern es werden mit DMS nur 2D-Verformungen ermittelt und über simulierte Kalibrierfunktionen mit den auslösenden Eigenspannungen korreliert.The previously developed systems for determining residual stresses do not permit a time- and spatially-resolved examination during a manufacturing process, e.g. a coating process. Although bore-based measurement techniques are minimally invasive, they are performed using a high speed milling tool. This is time consuming and requires mechanical contact with the surface of the object. Furthermore, the holes produced usually have to be closed again consuming later. Furthermore, a combination of experimental 3D deformation data with model-based simulation calculations is not performed, but with DMS only 2D deformations are determined and correlated via simulated calibration functions with the triggering residual stresses.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Ermittlung von Eigenspannungen, insbesondere in den Oberflächen beschichteter Objekte, mittels kontaktlosem Messverfahren zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine In-Prozess-Erfassung (z. B. während eines Beschichtungsprozess) von Eigenspannungen zu ermöglichen.An object of the present invention is to enable a temporally and spatially highly resolved determination of residual stresses, in particular in the surfaces of coated objects, by means of a contactless measuring method. Another object is to enable in-process detection (eg during a coating process) of residual stresses.
Diese Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenspannungen eines Objekts, insbesondere eines beschichteten Objekts und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen.This object (s) is / are achieved by a method and a device for detecting residual stresses of an object, in particular a coated object, and a method and a device for coating an object having the features specified in the independent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts, vorzugsweise eines beschichteten Objekts. Das Verfahren umfasst
Beaufschlagen einer Oberfläche des untersuchten Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens;
Ermitteln der im Objekt vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen,A first aspect of the invention relates to a method for determining residual stresses of an object, preferably a coated object. The method comprises
Applying a laser light to a surface of the object being examined and generating a pattern of holes and / or locally heated locations in the object;
Determining the surface deformations after applying the laser light to the object by means of an optical deformation measuring method;
Determining the residual stresses in the object from the measured surface deformations,
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in einem Objekt, vorzugsweise in einem beschichteten Objekt. Die Vorrichtung umfasst:
- ein Laserbelastungssystem mit zumindest einem Laser und einer optischen Abtastvorrichtung zum Beaufschlagen einer Oberfläche des Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
- ein optisches Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts mit dem erzeugten Muster.
- a laser loading system comprising at least a laser and an optical scanning device for impinging a surface of the object with laser light and generating a pattern of holes and / or locally heated locations in the object;
- an optical measuring system for determining the deformation of the surface of the object with the generated pattern.
Das Beaufschlagen des Objekts mit Laserlicht und das Erzeugen des Lochs oder des Musters erfolgt mittels einer optischen Abtastvorrichtung. Die optische Abtastvorrichtung umfasst eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts (z.B. durch Reflexion, Refraktion und/oder Lichtbeugung) und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts auf der Oberfläche des Objekts (d.h. eine Fokussieranordnung mit steuerbarem Fokus).The application of laser light to the object and the creation of the hole or the pattern are effected by means of an optical scanning device. The optical scanning device comprises an optical deflection and / or modulation arrangement for the controllable deflection and / or modulation of the laser light (eg by reflection, refraction and / or light diffraction) and / or a focusing arrangement for controllably focusing the laser light on the surface of the object (ie Focusing arrangement with controllable focus).
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Objekts. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts;
- Ermitteln der Eigenspannungen im teilbeschichteten Objekt nach dem Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
- Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
- Applying a partial layer to at least a part of the surface of the object;
- Determining the residual stresses in the partially coated object according to the method for determining residual stresses according to an aspect of the invention; and
- Controlling at least one of the parameters of the coating method on the basis of the determined residual stresses.
Ein vierter Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts umfassend:
- eine Beschichtungsanordnung zum Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts;
- eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
- eine Steueranordnung zum Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
- a coating arrangement for applying a partial layer to at least a part of the surface of the object;
- an apparatus for detecting residual stresses according to an aspect of the invention; and
- a control arrangement for controlling at least one of the parameters of the coating method on the basis of the determined residual stresses.
Die Parameter des Beschichtungsverfahrens, welche anhand der ermittelten Eigenspannungen gesteuert bzw. variiert werden können insbesondere umfassen:
- - die Temperatur des Substrates bzw. das Erwärmen oder Kühlen des Substrates (normalerweise mittels einer Luftkühlung); und/oder
- - die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials; und/oder
- - die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms (Kinematik); und/oder
- - die Schichtdicke.
- the temperature of the substrate or the heating or cooling of the substrate (normally by means of air cooling); and or
- the application rate and / or temperature of the coating material; and or
- the speed of movement of the coating arm (kinematics); and or
- - the layer thickness.
Das Beschichtungsverfahren kann ein thermisches, mechanisches, thermomechanisches bzw. thermokinetisches oder chemisches Verfahren sein, z.B. ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzenverfahren, ein Plasmaverfahren, etc.The coating process may be a thermal, mechanical, thermomechanical or thermokinetic or chemical process, e.g. a high-speed flame spraying process, a plasma process, etc.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die (z.B. beschichtete) Oberfläche des untersuchten Objekts mit Hilfe eines Lasers (z.B. eines Pulslasers) zu beaufschlagen. Dabei wird ein Teil der Oberschicht des Objekts (z.B. ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts) lokal entfernt und/oder erwärmt, um eine Verformung der Oberfläche durch Relaxation von Eigenspannungen zu erreichen. Die zwei- oder drei-dimensionalen Oberflächenverformungen werden mittels optischer Verformungs-Messverfahren gemessen. Die optischen Verformungs-Messverfahren bzw. das optische Messsystem zum Ermitteln von Oberflächenverformungen basieren z.B. auf der digitalen Holografie, der Speckle-Korrelations-Technik, der Speckle-Interferometrie, der Bild-Korrelations-Technik oder auf anderen bekannten optischen Messverfahren. Aus den optisch gemessenen Verformungen (z.B. mittels aufgenommener Hologramme, Shearogramme, Specklegramme, Bildern zur Bild-Korrelation, etc.) und gegebenenfalls weiteren Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung und/oder des Materials des Objekts und/oder der Objektbeschichtung können die in dem Objekt und insbesondere in der Beschichtung eines beschichteten Objekts vorliegenden Eigenspannungen numerisch bestimmt werden. Die Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung können insbesondere die Geometrie (Form und/oder Tiefe) des erzeugten Lochs und/oder der Position und/öder Topographie des erzeugten Musters, Form des Objekts oder der untersuchten Oberfläche umfassen. Zum Bestimmen der Eigenspannungen können z.B. Kontinuums-mechanische Berechnungen durchgeführt werden, wobei mittels Finite-Elemente-Modellen definierte Eigenspannungszustände vorgegeben werden. Die eingesetzten numerischen Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.According to the invention, it is proposed to apply the (eg coated) surface of the examined object with the aid of a laser (eg a pulse laser). In this case, a part of the upper layer of the object (eg a part of the coating of a coated object) is locally removed and / or heated in order to achieve a deformation of the surface by relaxation of residual stresses. The two- or three-dimensional surface deformations are measured by means of optical deformation measuring methods. The optical deformation measuring methods or the optical measuring system for determining surface deformations are based, for example, on digital holography, the speckle correlation technique, speckle interferometry, the image correlation technique or other known optical measuring methods. From the optically measured deformations (eg by means of recorded holograms, shearograms, specklegrams, images for image correlation, etc.) and, where appropriate, further data relating to the surface after the laser application and / or the material of the object and / or the object coating can in the Object and in particular in the coating of a coated object present residual stresses can be determined numerically. The data relating to the surface after the laser application may in particular comprise the geometry (shape and / or depth) of the generated hole and / or the position and / or topography of the generated pattern, shape of the object or the surface being examined. For determining the residual stresses, for example, continuum-mechanical calculations can be carried out by means of Finite element models defined residual stress states can be specified. The numerical methods used are known from the prior art.
Der vom Laser erzeugte Lichtstrahl wird steuerbar abgelenkt, moduliert und/oder auf dem Objekt fokussiert, wobei die Steuerung vorzugsweise in Video-Echtzeit erfolgt. So ist es möglich, gezielt einen Teil der Oberflächenschicht des Objekts lokal zu entfernen und/oder zu erwärmen, auch im Fall, dass das zu untersuchende Objekt merklich uneben, also auch stark gekrümmt ist.The laser beam generated by the laser is controllably deflected, modulated and / or focused on the object, the control preferably being in video real time. Thus, it is possible to selectively remove and / or to heat locally a part of the surface layer of the object, even in the case that the object to be examined is markedly uneven, that is also strongly curved.
Die Nutzung eines Lasers zur Belastung des untersuchten Objekts bzw. der Beschichtung des Objekts in Kombination mit steuerbarer optischer Ablenkung, Modulation und/oder Fokussierung und mit optischen Oberflächenverformungs-Messverfahren erlaubt eine schnelle, präzise und kontaktlose Ermittlung von Eigenspannungen innerhalb von Beschichtungen und Schichtsystemen. Die zu untersuchenden Objekte können dabei dreidimensional geformt sein und eine komplexe Form aufweisen. So kann die Oberfläche des Objekts sowohl eine reguläre Oberfläche (z.B. eine Kugel-, Zylinder- oder Kegeloberfläche) oder eine Freiformfläche sein. Die Laserstrahlung kann ferner an schwer zugänglichen Stellen zum Bohren und/oder lokalen Erwärmen eingesetzt werden. Des Weiteren ist das Messverfahren minimal invasiv, da das Erzeugen von kleinsten Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen mit hoher Präzision und Lagegenauigkeit möglich ist. Ferner ist es möglich, die Laserleistung, die Geometrie der erzeugten Löcher und/oder erwärmten Stellen und/oder die Form bzw. Topographie des erzeugten Musters schnell und präzise zu ändern und an die untersuchten Objekte anzupassen. So können Eigenspannungen z.B. während eines Beschichtungsprozesses (in-line) und mit hoher Ortsauflösung ermittelt werden (Quasi-Echtzeit-Messverfahren). Das Verfahren und die Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen ermöglichen somit eine hohe Mess- und Auswertegeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und hohe Skalierbarkeit sowie eine hohe Flexibilität.The use of a laser to load the examined object or the coating of the object in combination with controllable optical deflection, modulation and / or focusing and with optical surface deformation measuring methods allows a fast, precise and contactless determination of residual stresses within coatings and layer systems. The objects to be examined can be shaped in three dimensions and have a complex shape. Thus, the surface of the object may be both a regular surface (e.g., a spherical, cylindrical, or conical surface) or a freeform surface. The laser radiation can also be used in hard to reach places for drilling and / or local heating. Furthermore, the measurement method is minimally invasive, since it is possible to produce even the smallest holes and / or locally heated areas with high precision and positional accuracy. Furthermore, it is possible to quickly and precisely change the laser power, the geometry of the generated holes and / or heated areas and / or the shape or topography of the pattern produced and to adapt them to the examined objects. Thus, residual stresses, e.g. during a coating process (in-line) and with high spatial resolution are determined (quasi-real-time measurement). The method and the device for determining residual stresses thus enable a high measuring and evaluation speed, reliability and high scalability as well as a high degree of flexibility.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen:
- - frei wählbare flexible Anordnung komplexer Muster auf der Oberfläche des untersuchten Objekts;
- - Echtzeit-fähige, feldweise Auswertung der Eigenspannungszustände ausgedehnter Oberflächen mit frei wählbarer anpassbarer Verteilung (örtlich hochaufgelöst) der Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und Gestaltung der Lochgeometrie oder der Geometrie der lokal erwärmten Stelle;
- - hohe Präzision der Anordnung und Ausprägung der erzeugten Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen; und
- - adaptiv bezüglich Anordnung, Dichte, Geometrie und/oder Tiefe der einzelnen Löcher oder lokal erwärmten Stellen;
- - hohe Sensitivität und Präzision.
- - freely selectable flexible arrangement of complex patterns on the surface of the examined object;
- Real-time, field-by-field evaluation of the residual stress states of extended surfaces with freely selectable adaptable distribution (locally high resolution) of the holes and / or locally heated locations and design of the hole geometry or geometry of the locally heated location;
- high precision of the arrangement and character of the holes produced and / or locally heated points; and
- adaptive with regard to arrangement, density, geometry and / or depth of the individual holes or locally heated locations;
- - high sensitivity and precision.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung können in einfacher Weise in einen Herstellungsprozess (z.B. in einen Beschichtungsprozess) integriert werden. insbesondere in einen Hochgeschwindigkeitsprozesses. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können ein oder mehrere Parameter des Herstellungs- oder Beschichtungsprozesses gesteuert werden. Die Prozessparameter können auch lokal, anhand der, vorzugsweise parallel, ermittelten Eigenspannungen an unterschiedlichen räumlichen Positionen auf der Objektsoberfläche lokal, mit vergleichsweise hoher Ortsauflösung gesteuert werden. Dadurch kann z.B. die Qualität der Beschichtung eines Objekts erheblich verbessert werden. Da die Laserleistung und Strahlqualität sowie die Parameter des Abtastsystems mit hoher Genauigkeit und Präzision eingestellt und kontrolliert werden können, kann die Stabilität des Herstellungsprozesses (z.B. des Beschichtungsprozesses) gewährleistet werden.The method according to the invention and the device according to the invention for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading can be integrated in a simple manner into a production process (for example into a coating process). especially in a high-speed process. Based on the determined residual stresses one or more parameters of the manufacturing or coating process can be controlled. The process parameters can also locally, with the aid of the, preferably parallel, determined residual stresses at different spatial positions on the object surface locally, be controlled with a comparatively high spatial resolution. Thereby, e.g. the quality of the coating of an object can be significantly improved. Since the laser power and beam quality as well as the parameters of the scanning system can be set and controlled with high accuracy and precision, the stability of the manufacturing process (e.g., the coating process) can be ensured.
Vorzugsweise werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung in einen Beschichtungsprozess integriert, z.B. in einen Beschichtungsprozess mittels thermischen Spritzens. Durch die flexible In-Prozess-Messung der Eigenspannungen (parallel und in nahezu frei wählbarer Topologie und räumlicher sowie zeitlicher Auflösung) kann die Prozessregelung verbessert werden.Preferably, the method according to the invention and the device according to the invention for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading are integrated into a coating process, e.g. in a coating process by means of thermal spraying. Due to the flexible in-process measurement of the residual stresses (parallel and in almost freely selectable topology and spatial and temporal resolution), the process control can be improved.
Insbesondere weist die Beschichtung von Werkstücken nahezu jedweder Art mit Verfahren des thermischen Spritzens einen intensiven Wärme- und Stoffübergang sowie einen intensiven Impulsaustausch auf, z. B. mit Hartstoffpartikeln bei der Vorbehandlung der Oberflächen. Durch die mechanische, thermische und chemische Wechselwirkung (hier vor allem latente Wärmeübergangsphänomene) kommt es in Abhängigkeit von den thermophysikalischen Stoffeigenschaften von Schicht und Substrat einerseits und von der Dynamik der o.g. Wärme und Stoffübergangsprozesse anderseits zur Ausbildung von prozessbedingten Eigenspannungen im Werkstück bzw. in dessen Randzone(n). Da diese Eigenspannungen ortsaufgelöst betrachtet und bewertet werden müssen, ist die Bahnführung der Brenner bzw. deren Trajektorien direkt für die Ausbildung der Eigenspannungen mitverantwortlich.In particular, the coating of workpieces of almost any kind with methods of thermal spraying an intensive heat and mass transfer and an intense momentum exchange, for. B. with hard particles in the pretreatment of the surfaces. Due to the mechanical, thermal and chemical interaction (in particular, latent heat transfer phenomena), it depends on the thermophysical properties of the layer and the substrate on the one hand and the dynamics on the other hand the above-mentioned heat and mass transfer processes on the other hand for the formation of process-related residual stresses in the workpiece or in its edge zone (s). Since these residual stresses must be considered spatially resolved and evaluated, the web guidance of the burners or their trajectories is directly responsible for the formation of residual stresses.
Traditionell konnten die Eigenspannungsverteilung und das räumliche Profil derselben nur durch größere Serien von mikroskopisch zerstörenden Prüfungen am erkalteten Bauteil, d. h. mit erheblichem Zeitversatz zur Genese der Eigenspannungen bestimmt werden. Die Trägheit des traditionellen Messverfahrens der Oberflächenspannungsrelaxation (taktil gemessen über hochsensible Dehnungsmessstreifen in Rosettenanordnung) kann zwar für viele Anwendungen zeitlich weniger kritisch sein, bedeutet aber eine vielfach minimalinvasive Zerstörung der fertigen Oberfläche.Traditionally, the residual stress distribution and the spatial profile of the same could only be determined by larger series of microscopically destructive tests on the cooled component, i. H. be determined with considerable time offset for the genesis of residual stresses. Although the inertia of the traditional surface tension relaxation measurement technique (measured tactilely via highly sensitive strain gauges in a rosette configuration) can be less critical for many applications, it means that the finished surface is often minimally invasive.
Eine Vermessung der Eigenspannungen während eines Beschichtungsprozesses und eine Anpassung der Prozessparameter anhand der vermessenen Eigenspannungen sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.A measurement of the residual stresses during a coating process and an adaptation of the process parameters on the basis of the measured residual stresses are not known from the prior art.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung ermöglichen eine schnelle, minimal invasive Vermessung von Eigenspannungen mit hoher örtlicher Auflösung während eines laufenden Beschichtungsverfahrens. Die ermittelten Eigenspannungen werden gezielt zur lokalen Steuerung der Prozessparameter mit vergleichsweise hoher örtlicher Auflösung eingesetzt. So kann z.B. die Temperaturführung durch simultane Kühlung oder Heizung, beides mit örtlich definiert aufgelösten Verfahren gesteuert werden. Ferner kann die Trajektorienplanung und Durchführung dem Wärmeverlauf direkt angepasst werden. Vorzugsweise wird dabei eine Kompilierung bzw. eine Zusammenführung der Geometriedaten des Werkstücks aus CAD-Daten mit den Trajektorien beim Beschichtungsprozess durchgeführt.The method according to the invention and the device according to the invention for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading enable a fast, minimally invasive measurement of residual stresses with high local resolution during a running coating process. The determined residual stresses are used specifically for the local control of the process parameters with comparatively high local resolution. Thus, e.g. the temperature control can be controlled by simultaneous cooling or heating, both with locally defined resolved methods. Furthermore, the trajectory planning and implementation can be adapted directly to the heat history. Preferably, a compilation or merging of the geometry data of the workpiece from CAD data with the trajectories during the coating process is performed.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt in der Echtzeit der Eigenspannungsermittlung während der fortlaufenden Beschichtung (Echtzeit/In-Prozess) durch berührungslose und zerstörungsfreie online Messung mit optischen Messverfahren. Das örtliche Auflösungsvermögen der optischen Messverfahren ist sehr hoch und frei wählbar. Die Topologie eines Flächeninkrements kann derart rasch bestimmt und ausgewertet werden, dass der Beschichtungsprozess unmittelbar variiert und nachgeführt werden kann. Dadurch kann ein verbessertes bzw. ein gezielt eingestelltes eigenspannungsabhängiges Beschichtungsergebnis erzielt werden. Der Beschichtungsprozess muss ferner nicht unterbrochen und nachjustiert werden. Es können direkte reale Bauteilgeometrien und Oberflächenmorphologien erzeugt werden.An advantage of the proposed method lies in the real time of the residual stress determination during the continuous coating (real-time / in-process) by non-contact and non-destructive online measurement with optical measuring methods. The spatial resolution of the optical measuring methods is very high and freely selectable. The topology of a Flächeninkrements can be determined and evaluated so quickly that the coating process can be varied and tracked immediately. As a result, it is possible to achieve an improved or specifically adjusted intrinsic voltage-dependent coating result. Furthermore, the coating process does not have to be interrupted and readjusted. Direct real component geometries and surface morphologies can be generated.
Das Muster von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen kann punktweise sequentiell oder parallel erzeugt werden. Vorzugsweise wird das Muster nicht punktweise sequentiell (wie z.B. im mechanischen Fall) sondern parallel (simultan) erzeugt, z.B. mittels eines räumlichen Lichtmodulators. So kann simultan eine ganze Reihe, Matrix oder sogar auch mehrere Matrizen von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen, vorzugsweise mit adaptiver Verteilung und/oder definierter Lochgeometrie generiert werden.The pattern of holes and / or locally heated locations may be generated pointwise sequentially or in parallel. Preferably, the pattern is not generated pointwise sequentially (as in the mechanical case, for example) but in parallel (simultaneously), e.g. by means of a spatial light modulator. Thus, a whole row, matrix or even multiple matrices of holes and / or locally heated locations, preferably with adaptive distribution and / or defined hole geometry, can be generated simultaneously.
Das durch Laserbestrahlung erzeugte Loch und die lokal erwärmte Stelle können verschiedene Geometrien (Form und/oder Tiefe) aufweisen, die lokal variabel sein können. So kann das Loch oder die lokal erwärmte Stelle kreisförmig, ellipsenförmig, strich-förmig oder eine andere komplexere Form haben. Vorzugsweise durchdringt das Loch und/oder die lokal erwärmte Stelle dabei nur die Oberfläche des untersuchten Objekts, z.B. nur ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts.The hole produced by laser irradiation and the locally heated location may have different geometries (shape and / or depth), which may be locally variable. Thus, the hole or the locally heated spot may be circular, elliptical, line-shaped or other complex shape. Preferably, the hole and / or the locally heated location penetrates only the surface of the object under examination, e.g. only a part of the coating of a coated object.
Die erzeugten Muster von Löchern oder lokal erwärmten Stellen können ebenfalls verschieden sein. So kann das Muster ein Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen, eine Spirale (z.B. archimedische), eine Rosette, eine Reihe oder eine Matrix, ein Schlitz oder Kreuz oder eine andere komplexere Form aufweisen. Die Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein.The generated patterns of holes or locally heated locations may also be different. Thus, the pattern may comprise a circle or a plurality of concentric circles, a spiral (e.g., Archimedean), a rosette, a row or matrix, a slit or cross, or other more complex shape. The distribution of holes and / or locally heated locations within the pattern may be homogeneous or inhomogeneous.
Die Muster werden Abhängigkeit von der Topographie der untersuchten Oberfläche und der erwarteten oder vermuteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten ausgewählt. Das Verfahren umfasst dementsprechend ein Anpassen bzw. Adaptieren der Geometrie der einzelnen Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form bzw. der Topographie des erzeugten Musters (z.B. der Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen) an die Topographie der Oberfläche des untersuchten Objekts und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten im untersuchten Objekt bzw. in der untersuchten Oberfläche. So können mittels der steuerbaren optischen Ablenk- und/oder Modulationsanordnung und/oder Fokussieranordnung unterschiedliche Muster mit unterschiedlichen Topographien und/oder Geometrien der Bohrlöcher oder lokal erwärmten Stellen auf die unterschiedlichen Objekte projiziert und angebracht bzw. eingeschrieben werden. Ebenfalls ist es möglich, das erzeugte Bohrloch oder Muster gezielt an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen zu positionieren bzw. zu zentrieren. Dies ist in der Regel ein Ort großer lokaler Krümmung der Oberfläche. Durch den Verlauf des Herstellungsprozesses bzw. Beschichtungsprozesses können jedoch große Eigenspannungen an Orten auftreten, die nicht den Orten großer bzw. größter lokaler Krümmung der Oberfläche entsprechen. In diesem Fall kann das erzeugte Bohrloch oder Muster an solchen Orten erwarteter großer Eigenspannungen positioniert werden.The patterns are selected depending on the topography of the surface under investigation and the expected or assumed residual stresses and / or their gradients. The method accordingly comprises adapting or adapting the geometry of the individual holes and / or locally heated locations and / or the shape or the topography of the generated pattern (eg the distribution of the holes and / or the locally heated locations) to the topography of the pattern Surface of the object under investigation and / or to the expected residual stresses and / or their gradients in the examined object or in the examined surface. Thus, by means of the controllable optical deflection and / or modulation arrangement and / or Fokussieranordnung different patterns with different topographies and / or geometries of the holes or locally heated locations on the different objects are projected and inscribed or inscribed. It is also possible to position or center the generated borehole or pattern specifically at a presumed or very probable location of high residual stresses. This is usually a place of great local curvature of the surface. Due to the course of the manufacturing process or coating process, however, large residual stresses can occur at locations that do not correspond to the locations of large or largest local curvature of the surface. In this case, the generated wellbore or pattern may be positioned at such locations of expected high residual stresses.
Beispielsweise kann das Muster eine Vielzahl von Linien (vorzugsweise zumindest drei Linien die z.B. in einem Gitter angeordnet sind) umfassen, die auf die Oberfläche des untersuchten Objekts eingeschrieben bzw. angebracht werden. Die Oberfläche kann eine Regelfläche sein oder eine Freiformfläche (auch in Kombinationen). Die Linien des Musters können zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche stehen.For example, the pattern may comprise a plurality of lines (preferably at least three lines arranged, for example, in a grid) which are inscribed on the surface of the object being examined. The surface can be a ruled surface or a free-form surface (also in combinations). The lines of the pattern may be at least approximately perpendicular to the direction of the largest local curvature (s) of the surface.
Das Muster kann ferner Spiralen, z.B. archimedische Spiralen, oder konzentrische Kreise umfassen. Ein solches Muster ist insbesondere für die Ermittlung von Eigenspannungen in Objekten geeignet, deren Oberfläche durch eine Kugel approximiert werden kann. Vorzugsweise wird das Zentrum dieser Strukturen an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen gesetzt. Das ist in der Regel ein Ort großer bzw. größter lokaler Krümmung(en) der Oberfläche.The pattern may further comprise spirals, e.g. Archimedean spirals, or concentric circles include. Such a pattern is particularly suitable for the determination of residual stresses in objects whose surface can be approximated by a sphere. Preferably, the center of these structures is placed at a presumed or highly probable location of high residual stresses. This is usually a location of large or largest local curvature (s) of the surface.
Ist die Oberfläche des untersuchten Objekts eine Oberfläche, bei der ein Oberflächenelement durch einen Zylinder approximiert werden kann, kann als Muster ein Gitter beaufschlagt werden, bei welchem die Gitterlinien bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet sind. Es ist hierbei von Vorteil, wenn die Ortsfrequenz des Gitters vergleichsweise hoch ist, vorzugsweise zumindest etwa 5 Linienpaare/mm, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 10 Linienpaare/mm. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Tastverhältnis (Lücke-Gittersteg-Längen) gegen 1 geht. Bevorzugt wird die doppelte Lückenbreite, aber nicht die 10fache Lückenbreite in Relation zur Stegbreite.If the surface of the examined object is a surface in which a surface element can be approximated by a cylinder, a grid can be applied as pattern in which the grid lines are preferably arranged substantially parallel to the cylinder axis. It is advantageous in this case if the spatial frequency of the grating is comparatively high, preferably at least about 5 line pairs / mm, more preferably at least about 10 line pairs / mm. Furthermore, it is advantageous if the duty cycle (gap-lattice web lengths) goes to 1. Preference is given to the double gap width, but not the 10-fold gap width in relation to the web width.
Die Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein. So kann z.B. die Gitterkonstante bei einem Muster von Strichen bzw. Linien variieren. Die Verteilung der Löcher und/oder erwärmten Stellen an die Kanten einer Oberfläche kann zum Beispiel eine andere sein, als in der Fläche, die der Kante folgt bzw. orthogonal ist.The distribution of the individual holes and / or heated locations within the pattern may be homogeneous or inhomogeneous. Thus, e.g. the lattice constants vary with a pattern of bars or lines. The distribution of the holes and / or heated spots to the edges of one surface may, for example, be different than in the face following the edge or orthogonal.
Durch die adaptive Geometrie und/oder Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen (d.h. durch das adaptive Muster) ist es möglich, eine Messung auch an merklich unebenen und stark gekrümmten beschichteten Objekten zuverlässig und effizient durchzuführen. Ferner ist es möglich, die Belastung des untersuchten Objekts in-line, z.B. während eines Beschichtungs- oder Herstellungsprozesses zu ändern.By adaptive geometry and / or distribution of the individual holes and / or heated locations (i.e., by the adaptive pattern), it is possible to perform a measurement reliably and efficiently even on noticeably uneven and highly curved coated objects. Furthermore, it is possible to reduce the load of the examined object in-line, e.g. during a coating or manufacturing process.
Eine vielfach-Anmessung bei der Verwendung eines Musters kann ferner die Ergebnisse sowohl der in-plane-Oberflächenverformungssmessungen als auch der out-of-plane-Oberflächenverformungsgsmessungen verbessern, da ein Mittelungseffekt auftritt. Es ergibt sich folglich eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Parallelisierung.Multiple measurement using a pattern can further improve the results of both in-plane surface strain measurements and out-of-plane surface strain measurements, as an averaging effect occurs. Consequently, there is an improvement in the signal-to-noise ratio due to parallelization.
Das Muster kann vorzugsweise holografisch durch einen, vorzugsweise in Video-Echtzeit, ansteuerbaren, räumlichen Lichtmodulator erzeugt werden. Der steuerbare Lichtmodulator kann z.B. ein elektrooptischer Lichtmodulator (wie z.B. Flüssigkristall-Lichtmodulator), ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein Digitales-Mikrospiegelsystem (DMD Lichtmodular, DMD=Digital Micro Mirror Device) sein. Alternativ oder zusätzlich können opto-mechanische Vorrichtungen, wie z.B. eine rotierende Keilplatte, Spiegel, Prismen, etc. zur Ablenkung des Laserlichts eingesetzt werden. Die optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung kann dementsprechend ein steuerbarer Lichtmodulator (beispielsweise ein Flüssigkristal-Lichtmodulator, ein DMD-Lichtmodulator oder akustooptischer Modulator) oder eine rotierende Keilplatte umfassen.The pattern may preferably be generated holographically by a spatial light modulator which can be controlled, preferably in video real-time. The controllable light modulator may e.g. an electro-optic light modulator (such as a liquid crystal light modulator), an acousto-optic modulator (AOM) or a digital micro mirror device (DMD). Alternatively or additionally, opto-mechanical devices, such as e.g. a rotating wedge plate, mirrors, prisms, etc. are used to deflect the laser light. The optical deflection and / or modulation arrangement may accordingly comprise a controllable light modulator (for example a liquid crystal light modulator, a DMD light modulator or acousto-optic modulator) or a rotating wedge plate.
Die Fokussieranordnung kann eine Linse, ein Objektiv, ein Spiegel-Objektiv und/oder andere optische Elemente umfassen. Vorzugsweise weist die Fokussieranordnung eine rechnergesteuerte Fokussier-Funktion auf. Somit können die Tiefe und/oder die Form des erzeugten Lochs variiert werden und z.B. an die untersuchte Beschichtung und/oder Geometrie des Objekts angepasst werden.The focusing arrangement may comprise a lens, an objective, a mirror objective and / or other optical elements. Preferably, the focusing arrangement has a computer-controlled focusing function. Thus, the depth and / or shape of the created hole can be varied and e.g. be adapted to the examined coating and / or geometry of the object.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des Lochs und/oder des Musters mit dem gleichen Laser, der zum Ermitteln der Oberflächenverformungen eingesetzt wird. Anders ausgedrückt dient ein Laser als Lichtquelle für das Laserbelastungssystem und für das optische Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts. Die Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen kann somit einfacher, kompakter und kostengünstiger realisiert werden.The production of the hole and / or the pattern preferably takes place with the same laser used to determine the surface deformations. In other words, a laser serves as a light source for the laser loading system and for the optical measuring system for determining the deformation of the surface of the object. The device for measuring residual stresses can thus be realized simpler, more compact and less expensive.
Das Verfahren kann ferner ein Erfassen mittels einer optischen 3D-Messanordnung von zwei- oder drei-dimensionalen Daten betreffend:
- die Geometrie einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen; und/oder
- die räumliche Position einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
- die Topographie des Musters; und/oder
- die Positionierung des Musters auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
- die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts umfassen.
- the geometry of individual holes and / or pattern elements or structures; and or
- the spatial position of individual holes and / or pattern elements or structures on the surface of the object; and or
- the topography of the pattern; and or
- the positioning of the pattern on the surface of the object; and or
- the shape of the object and / or the surface of the object.
Die so gewonnenen 3D-Daten können zur Versorgung mit Eingangs-Daten für das Erstellen des Eigenspannungsmodells genutzt werden. Die optische 3D-Messanordnung kann z.B. ein konfokales Mikroskop, ein optisches System, basierend auf Streifenprojektion, auf digitaler Holographie, beispielsweise Letzteres basierend auf der Zwei-Wellenlängen-Methode, sein. Die optische 3D-Messanordnung kann Bestandteil der Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen sein.The resulting 3D data can be used to provide input data for creating the residual stress model. The optical 3D measuring arrangement may e.g. a confocal microscope, an optical system based on fringe projection, on digital holography, for example the latter based on the two-wavelength method. The optical 3D measuring arrangement can be part of the device for measuring residual stresses.
Einsatzgebiete und Applikationen der erfinderischen Lösung des optischen Verfahren und der Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen, insbesondere an beschichteten Oberflächen umfassen:
- - die Materialwissenschaften,
- - die Produktions-Überwachung, z.B. in Beschichtungs-Anlagen,
- - und sicherheitsrelevante Anwendungen, z.B. im Flugzeugbau.
- - the material sciences,
- - production monitoring, eg in coating plants,
- - and safety-relevant applications, eg in aircraft construction.
Insbesondere eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in der Beschichtung von beschichteten Objekten. Die Beschichtung kann dabei eine Dicke von insbesondere 10 Mikrometer bis zu 500 Mikrometer aufweisen. Die Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten umfassen.In particular, the method according to the invention and the device according to the invention are suitable for determining residual stresses in the coating of coated objects. The coating may have a thickness of in particular 10 microns up to 500 microns. The coating may comprise one or more layers.
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen, welche zeigen:
-
1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten; -
2 beispielhafte Belastungsanordnungen; -
3 eine weitere beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten; -
4 beispielhafte Muster auf einer beschichteten zylindrischen Fläche; -
5 beispielhafte Muster auf einer beschichteten sphärischen Fläche; -
6 beispielhafte Muster auf einer beschichteten Freiformfläche.
-
1 an exemplary device for measuring residual stresses in coated objects; -
2 exemplary load arrangements; -
3 a further exemplary device for measuring residual stresses in coated objects; -
4 exemplary patterns on a coated cylindrical surface; -
5 exemplary patterns on a coated spherical surface; -
6 exemplary patterns on a coated freeform surface.
Unter den Begriffen Messstrahlung, Belastungsstrahlung und Licht wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung elektromagnetische Strahlung vom tiefen UV- über den VIS-, NIR-, MIR-, FIR- bis zum Terahertz-Bereich verstanden.For the purposes of the present application, the terms measuring radiation, load radiation and light are understood to mean electromagnetic radiation from the deep UV to the VIS, NIR, MIR, FIR and terahertz ranges.
Das Objekt kann ein beliebiges beschichtetes Objekt sein, einschließlich ein stark gekrümmtes Objekt. Nicht einschränkende Beispiele sind Beschichtungen für den Korrosionsschutz, Schutzschichten für die elektrische Isolation und/oder den thermischen Schutz. Die Beschichtung kann eine Dicke im Bereich von 10 Mikrometer bis 500 Mikrometer aufweisen. Die Anzahl und die Anordnung der Schichten in der Beschichtung können variieren.The object can be any coated object, including a strongly curved object. Non-limiting examples are coatings for corrosion protection, protective coatings for electrical insulation and / or thermal protection. The coating can have a thickness in the range of 10 Micrometer to 500 microns. The number and arrangement of the layers in the coating can vary.
Für die Belastung des beschichteten Objekts
Das andere Teilstrahlenbündel vom ersten Strahlteiler
Die Geometrie (Tiefe, Form) des durch die Laserbelastung entstehenden Lochs und/oder die Topographie des entstehenden Musters wird durch eine Messanordnung für die 3D-Form 9 gemessen. Diese Messanordnung
Die 3D-Verformung in Verbindung mit der Messung der Geometrie (Tiefe, Form) der Löcher und/oder der Topographie oder Tiefenprofilierung des Musters, weiche durch die Laserbelastung entstehen, und Materialparameter des Objektes
Die beispielhaften Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen können, wie oben beschrieben, z.B. in einen Beschichtungsprozess integriert werden. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können in-line (d.h. während des Beschichtungsprozesses) die Parameter des Beschichtungsprozesses (wie z.B. Kühlen oder Erwärmen des Substrats, Auftragsrate und Temperatur der Beschichtung, Schichtdicke, Kinematik, etc.) gesteuert werden. So ist es möglich, Beschichtungen mit hoher Qualität und geringen Eigenspannungen schnell und effizient zu erzeugen.The exemplary methods and apparatus for determining residual stresses may, as described above, e.g. be integrated into a coating process. On the basis of the determined residual stresses, the parameters of the coating process (such as, for example, cooling or heating of the substrate, application rate and temperature of the coating, layer thickness, kinematics, etc.) can be controlled in-line (i.e., during the coating process). It is thus possible to produce coatings with high quality and low residual stresses quickly and efficiently.
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